Herausforderungen und Chancen beim Design von Schlitzmotoren

HERAUSFORDERUNGEN UND CHANCEN DER GENUTETEN MINIATURMOTORBAUWEISE

Die hohe Drehzahl und die verbesserte Kühlleistung der genuteten, bürstenlosen Miniatur-Gleichstrommotoren (BLDC) sind für zahlreiche Anwendungen von der Robotik bis hin zur Unterhaltungselektronik von entscheidender Bedeutung. Um die Effizienz, Leistung und Zuverlässigkeit der Anwendung zu optimieren, erfordert ihre Spezifikation jedoch sorgfältige Überlegungen. Technische Empfehlungen zur Integration bei der Auswahl von genuteten Standard-BLDC-Motoren sind von Vorteil, und Überlegungen zur maßgeschneiderten Konstruktion werden der Leistung der Anwendung langfristig zugute kommen.

Da keine Bürsten für den Kommutierungsprozess benötigt werden, bieten bürstenlose Gleichstrommotoren Vorteile gegenüber Bürstenmotoren, wie z. B. höhere Leistung, hohe Drehzahlen, längere Lebensdauer und bessere Kontrolle. Bei BLDC-Motoren stellt sich die Frage zwischen genuteter und nutenloser Ausführung.

Der Stator ist der äußere feststehende Teil, der den Rotor umgibt und die Wicklungen enthält, die den Stromfluss leiten. Dadurch entsteht ein Magnetfeld, das mit den Magneten des Rotors interagiert, wodurch dieser rotiert und eine Bewegung erzeugt wird. Bei einem nutenlosen BLDC-Motor sind die Wicklungen in der Regel mit Harz im Stator befestigt oder werden durch ein Band oder eine Haltevorrichtung fixiert. Alternativ werden in genuteten Ausführungen die Wicklungen in Schlitzen oder Nuten gehalten.

Nutenlose Motoren sind in der Regel kompakter, und diese Bauweisen sind auch für Anwendungen von Vorteil, die einen reibungslosen Betrieb und eine hohe Drehzahl erfordern. Genutete BLDC-Motoren ermöglichen jedoch eine Erhöhung der magnetischen Flussdichte im Luftspalt, was zu einer höheren Drehmomentenerzeugung führt. Dies trägt dazu bei, die Dynamik des Motors zu verbessern, was diese Konstruktion sicherer macht. Die Nuten tragen auch zur Wärmeableitung bei und ermöglichen so eine verbesserte Kühlung.

DIMENSIONIERUNG GENUTETER BLDC-MOTOREN

Genutete BLDC-Motoren stellen bei der Konstruktion besondere Herausforderungen, weshalb eine sorgfältige Spezifizierung erforderlich ist. Dazu gehören eine genaue Berechnung des Kernverlustes sowie die Berücksichtigung von Materialsättigung und Magnet-Entmagnetisierung bei höheren Betriebstemperaturen, was sich auf Leistung, Effizienz und Wärmemanagement auswirken kann. Die Dimensionierung des Motors auf das erforderliche Drehmoment ist ein entscheidender Schritt. Diese Berechnung ist vor allem abhängig von den elektrischen und magnetischen Ladungen, den Abmessungen von Rotor und Stator sowie der Werkstoffauswahl.

Grundsätzlich gilt: Wenn die Arbeitspunkte der Anwendung hohe Drehzahlen und ein niedriges Moment erfordern, muss die Magnetlast optimiert werden, um die Kernverluste bei einer geringeren Anzahl von Polpaaren zu verringern. Kernschwund, auch Eisenschwund genannt, bezeichnet die Energie, die durch Hysterese und Wirbelströme im Magnetkern des Motors abgeführt wird. Wenn die Arbeitspunkte am anderen Ende der Skala niedrige Drehzahlen und hohe Momente umfassen, muss die elektrische Ladung optimiert werden, um Kupferverluste (auch als I²R-Verluste bezeichnet) auszugleichen. Kupferverluste stellen den Widerstand der Wicklungen gegenüber dem Stromfluss dar und treten als verlorene Leistung in der erzeugten Wärme auf. Durch die Verringerung von Kern- und Kupferverlusten wird die Motoreffizienz für die gegebenen Drehmoment-Drehzahl-Arbeitspunkte optimiert. Das Grundverhältnis zwischen dem erzeugten Drehmoment ergibt sich aus folgender Gleichung: (Lesen Sie das Whitepaper auf unserer Website, um die Gleichung zu sehen)

NUT-POL-KOMBINATIONEN IM ÜBERBLICK

Die Anordnung/Beziehung zwischen den Statornuten und den Permanentmagnetpolen am Rotor wird als Nut-Pol-Kombination bezeichnet, die die Magnetfeld-Interaktionen des Motors beschreibt

Beim genuteten Miniaturmotor gibt es verschiedene Nut-PolKombinationen. Eine hohe Wicklungszahl sollte in Betracht gezogen werden, um die Drehzahl des Motors zu erhöhen. Ein hohes kleinstes gemeinsames Vielfaches (Least Common Multiple – LCM) zwischen der Anzahl der Nuten und Pole (S, P) verringert die Größe des Rastmoments, während ein hoher größter gemeinsamer Teiler (Great Common Divisor – GCD) (S, P) dazu beiträgt, die asymmetrischen magnetischen Radialkräfte zu reduzieren und die Radialsymmetrie zu erhöhen.

Herkömmliche zweipolige integrale nutenkonzentrierte Wicklungen (Intergral Slot Concentrated Windings – ICSW), wie in Abb. 1 dargestellt, sind möglich, aber die Drehmomentkonstante ist niedriger als bei der vierpoligen Ausführung; diese Option wird nicht für Anwendungen mit hohem Drehmoment und niedriger Drehzahl empfohlen.

Je nach gewünschtem Moment und gewünschter Drehzahl sowie der Fähigkeit des Motors, mit Merkmalen wie dem Rastmoment umzugehen, die zu Drehmomentschwankungen führen und die Laufruhe der Bewegungsabgabe beeinflussen, stehen verschiedene Kombinationen zur Verfügung.

Neben der Nut-Pol-Kombination ist auch eine andere Konfiguration, die als fraktionierte nutenkonzentrierte Wicklungen (FSCW) bezeichnet wird, möglich. Unter FSCW fallen mehrpolige Ringmagnetkonfigurationen mit kurzen Magnetkreisen, und diese Konstruktion eignet sich für Anwendungen mit niedrigen Drehzahlen und hohem Drehmoment. Tabelle 1 zeigt die verschiedenen Nut-Pol-Kombinationen und ihre Vorteile.

SPEZIFIZIERUNG VON GENUTETEN BLDC-MINIATURMOTOREN

Das vom Motor erzeugte Moment verhält sich proportional zu seinem Volumen, der magnetischen und elektrischen Ladung und seiner Nut-Pol-Kombination. Die Festlegung dieser Merkmale hängt nicht nur von den Drehmoment-DrehzahlAnforderungen der Anwendung ab, sondern auch von weiteren Eigenschaften, die sich auf die Bewegungsleistung sowie auf die Verlässlichkeit und Langlebigkeit auswirken können.

Bei der Spezifikation eines genuteten BLDC-Motors können Standard-Statornuten und Standardmagnetanordnungen, die über viele Jahre in der Produktion entwickelt wurden, eine hohe Verlässlichkeit und genügend Leistung bieten, wenn die Motorgröße Standard ist. Dieses traditionelle Design bringt jedoch in der Regel eine suboptimale Nutzung des Magnetkreises mit sich, was auch einen geringeren Wirkungsgrad bei bestimmten Drehmoment-Drehzahl-Arbeitspunkten bedeutet.

Angesichts der Vielzahl von Faktoren, die sich auf die Spezifizierung auswirken, ist es von entscheidender Bedeutung, die technische Unterstützung eines Bewegungsexperten wie Portescap in Anspruch zu nehmen. Dies gilt insbesondere für OEMs mit höheren Stückzahlen. Ein maßgeschneidertes Motordesign ist äußerst vorteilhaft, da dieses Konzept die Leistung und den Wirkungsgrad für die spezifischen Arbeitspunkte optimieren kann. Basierend auf anpassbaren bestehenden Designs ist die Markteinführungszeit oft auch kürzer als bei einem Standarddesign, wenn alle Phasen der Integration berücksichtigt werden. Genutete BLDC-Motoren können auch aufgrund ihrer Wirtschaftlichkeit spezifiziert werden, und angesichts des höheren Werts, den ein maßgeschneidertes Design bieten kann, hat dieser Prozess das Potenzial, die Gesamtkosten zu senken.

Um mehr über bürstenlose Gleichstrommotoren und auf Ihre Anwendung zugeschnittene Ausführungen zu erfahren, wenden Sie sich an das Portescap-Team unter https://www.portescap.com